НЕ-NE ЛАЗЕР Российский патент 2006 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в He-Ne лазерах с камерами или ячейками, наполненными газом или смесью газов для подавления или выделения определенной длины волны лазерного излучения, и с металлическими втулками с пластично-деформируемым участком для юстировки лазера.

Известен газовый лазер, который имеет металлическую деталь с пластично-деформируемым участком, закрепленную на капиллярной разрядной трубке, и элементы для регулировки зеркала по отношению к оси трубки путем деформации участка металлической детали. Регулировка осуществляется с помощью инструмента с внешней поверхности лазера. Конструкция применяется в лазерах с внутренними зеркалами (см. заявка ФРГ № 2007.939, кл. 21 g 53/02, опубл.02.09.1971 г.).

Недостатком этого лазера является невозможность подавить или выделить какую-либо длину волны внутри резонатора без использования сложных дорогостоящих зеркал.

Известен газовый лазер, который содержит разрядную трубку, наполненную смесью гелий-неон и имеющую на обоих концах оптические окна, ориентированные под углом Брюстера к оси трубки, резонатор, образованный двумя зеркалами, и кювету с оптическим окном, также ориентированным под углом Брюстера, присоединенную к одному из торцов трубки. Кювета наполнена газом метаном, пропускающим излучение только с длиной волны 0.6328 мкм и подавляющим излучение на длине волны 3.3913 мкм (см. пат. Японии 47-11959, опубл.14.04.1972 г.).

Недостатком лазера является то, что конструкция лазера предусматривает использование, по крайней мере, одного внешнего зеркала со стороны кюветы с отдельным механизмом юстировки этого зеркала. Из-за сложного механизма юстировки конструкция такого лазера громоздкая и ненадежная. К недостаткам такой конструкции следует также отнести невозможность получения максимально возможной мощности лазерного излучения, при прочих равных условиях, из-за дополнительных потерь на окне Брюстера в кювете.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является лазер, содержащий разрядную трубку с оптическими герметизирующими окнами, расположенными под углом Брюстера к оси трубки, и заполненную смесью гелия и неона, помещенную между двумя неплоскими рефлекторами (зеркалами), образующими резонатор Фабри-Перо. Каждое окно Брюстера и соответствующий рефлектор находятся в метановой ячейке, герметично закрепленной на разрядной трубке (см. пат. Великобритании № 1120785, кл. Н 1 С, опубл. 24.07.1968 г. - принято за прототип).

Метан, находящийся в промежутке между окном, расположенными под углом Брюстера, и соответствующим рефлектором, поглощает свет с длиной волны 3.39 мкм и тем самым увеличивает интенсивность перехода на линии 0.63 мкм.

Недостатком этого устройства является конструктивная несвязанность метановых кювет и юстировочных механизмов рефлекторов (зеркал), что усложняет конструкцию лазера, делает ее громоздкой и ненадежной. Кроме того, наличие в лазере двух окон Брюстера, что, как и в предыдущей конструкции, увеличивает потери в резонаторе, и это приводит к снижению мощности излучения. Наличие двух окон Брюстера предусматривает их тонкую ориентировку как по углу Брюстера, так и по взаимному развороту. В противном случае в резонатор вносятся дополнительные потери, что также приводит к еще большему снижению мощности излучения.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача изобретения - создание надежного, компактного He-Ne лазера с заданным спектром излучения и высоким уровнем выходной мощности на выбранной длине волны излучения за счет подавления конкурирующих длин волн и точной юстировки элементов конструкции лазера.

Технический результат достигается за счет использования герметичной ячейки с газовым наполнением для подавления сопутствующих или конкурирующих излучений с целью повышения чистоты спектра и уровня выходной мощности на рабочей длине волны, обладающей компактной, прочной, легкой, конструктивно связанной с элементами лазера (окном Брюстера и оптическим зеркалом) конструкцией, и установки окна Брюстера и оптических зеркал на металлических втулках с пластично-деформируемым участком, что обеспечивает их точную и надежную юстировку.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в лазере, содержащем разрядную трубку, один конец которой закрыт окном, установленным под углом Брюстера, и расположен в ячейке с газовым наполнением, герметично закрепленной на разрядной трубке, и зеркала, окно закреплено на оптическом узле, соединенном с разрядной трубкой через первую металлическую с пластично-деформируемым участком втулку, а ячейка с газовым наполнением выполнена в виде стакана с изменяемым профилем и второй металлической с пластично-деформируемым участком и зеркалом втулки, герметично закрепленной в центральном отверстии дна стакана.

Поскольку диаметр горлышка стакана может быть выбран равным диаметру разрядной трубки, а длина оптического пути лазерного пучка в газовом наполнении, необходимая для подавления требуемой длины волны, составляет порядка миллиметров, то введение в резонатор такой ячейки практически не увеличивает размеры лазера. Изменяемый профиль стакана делает ячейку с одной стороны механически прочной и устойчивой, что важно для стакана как для держателя втулки с зеркалом, а с другой стороны - легкой, т.к. толщина стенок стакана может быть минимальна. Использование двух металлических пластично-деформируемых втулок для юстировки окна и зеркала, а также подавление конкурирующих длин волн позволяет получить максимальную выходную мощность на требуемой длине волны.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг.1 представлен общий вид He-Ne лазера.

На фиг.2 показан He-Ne лазер в разрезе со стороны ячейки и выходного зеркала.

Лазер содержит разрядную трубку 1, на торцах которой медным припоем герметично закреплены две металлические втулки 2, 3 с пластично-деформируемыми участками 2′, 3′. К втулке 2 методом твердой запайки присоединено "глухое" зеркало 4. Кроме того, втулка 2 является анодом. К втулке 3 присоединен оптический узел 5, на конце которого герметично приклеено окно 6 под углом Брюстера. Часть втулки 3 находится внутри разрядной трубки 1 и служит для крепления капилляра 7. Со стороны окна 6 к оболочке разрядной трубки 1 микроплазменной сваркой герметично присоединен стакан 8 ячейки 9 с газовым наполнением, к которому медным припоем, также герметично, прикреплена металлическая втулка 10 с пластично-деформируемым участком 10′, которая, кроме своей непосредственной функции как держателя зеркала 11 и узла его юстировки, является также частью ячейки 9. Во втулке 10 через стеклоприпой методом твердой запайки герметично установлено выходное зеркало 11. Для откачки и наполнения ячейки 9 газом в дне стакана 8 с помощью медного припоя закреплен штенгель 12. Для обеспечения открытого оптического тракта прохождения пучка излучения из разрядной трубки 1 до зеркала 11 предусмотрено центральное отверстие 13 в дне стакана 8.

Сборка лазера происходит следующим образом. После изготовления разрядной трубки 1, на торцах которой закреплены втулка 2 с "глухим" зеркалом 4 и втулка 3 с оптическим узлом 5 и окном 6, производится юстировка "глухого" зеркала 4 и точное выставление окна 6 под угол Брюстера. Для этого разрядная трубка 1 закрепляется в технологических подставках. На электроды подается высокое напряжение. Со стороны окна 6 ставится технологическое юстировочное приспособление с закрепленным в нем выходным зеркалом 11. Вначале юстируется "глухое" зеркало 4. Путем деформации пластично-деформируемого участка 2′ металлической втулки 2 зеркало 4 с высокой точностью устанавливается перпендикулярно к оси капилляра 7. Затем выходное зеркало 11 также устанавливается перпендикулярно к оси капилляра 7 до возникновения генерации. Измерителем мощности лазерного излучения типа ИМО-2 измеряется мощность лазерного излучения, после чего зеркала 4 и 11 подъюстируются до получения максимальной мощности излучения. Подъюстировка окна 6 под угол Брюстера производится путем деформации пластично-деформируемого участка 3′ металлической втулки 3 также до достижения максимальной мощности, которую фиксируют по измерителю мощности. После этого высокое напряжение отключают. Разрядную трубку 1 снимают с подставки, присоединяют к ней стакан 8, к которому уже герметично прикреплена втулка 10 и методом микроплазменной сварки герметично закрепляют его на разрядной трубке 1. Во втулке 10 герметично методом твердой запайки закрепляют затем выходное зеркало 11. Через штенгель 12 откачивают из ячейки 9 атмосферу и наполняют ее метаном или другим газом, после чего производится холодный отпай (скусывание) штенгеля 12. Выходное зеркало 11 юстируется аналогично "глухому" зеркалу 4.

Лазер работает следующим образом. На электроды подается высокое напряжение. В капилляре 7 возникает газовый разряд. Лазерный пучок проходит через ячейку 9, наполненную метаном. Происходит поглощение излучения на линии 3.39 мкм и мощность на основной линии излучения, например на линии 0.63 мкм, возрастает.

Изменяемый профиль стакана, в котором диаметры горлышка d₁ и дна d₂ стакана соответствуют соотношению:

Kd₁≥d₂>d,

где k - коэффициент, обеспечивающий достаточную жесткость стакана при воздействии механических факторов (вибраций, ударов) в процессе эксплуатации лазера;

d - диаметр оптического узла;

позволяет делать стенки стакана тонкими, а стало быть ячейку легкой, при этом сохраняя ее механические показатели жесткости.

Длина ячейки должна соответствовать соотношению:

l₁+l₂+l₃tgα/2+h≤l=l₄+l₅,

где l₁ - длина части первой металлической с пластично-деформируемым участком втулки, находящейся в стакане,

l₂ - длина оптического узла с окном,

l₃ - длина оптического пути лазерного пучка в газовом наполнении, необходимая для подавления конкурирующей длины волны,

l₄ - высота стакана,

l₅ - длина второй втулки,

α - угол Брюстера,

h - толщина зеркала.

Поскольку диаметр d₁ горлышка стакана может быть выбран меньше или равным диаметру разрядной трубки d₂, а длина l₃ оптического пути лазерного пучка в газовом наполнении, необходимая для подавления конкурирующей длины волны, составляет обычно порядка миллиметров, т.е. дно стакана может быть приближено к оптическому узлу разрядной трубки на минимальное расстояние, то такая ячейка будет компактной, не выходящей за габариты лазера.

Центральное отверстие в дне стакана, которое оптически связано с выходным зеркалом, позволяет лазерному пучку полностью проходить через ячейку, а также оптически соединяет полости стакана и втулки, объединяя их в единую конструкцию. Это отверстие при необходимости может быть использовано в качестве диафрагмы. Оптический проход излучения через отверстие в дне стакана и во втулке является также дополнительным трактом для поглощения конкурирующего излучения 3,39 мкм.

Использование металлических с пластично-деформируемым участком втулок для юстировки окна и зеркал, а также подавление конкурирующих длин волн в ячейке позволяет получить максимальную выходную мощность на требуемой длине волны.

Приводим примеры, доказывающие возможность практической реализации предлагаемого лазера. Это He-Ne лазеры ГНИК-5, ГНИК3-4А, ЛГН-118-2В. Их характеристики показаны в таблице.Наименование товараГНИК-5ГНИК3-4АЛГН-118-2ВПодавляемая длина волны, мкм3.3922
3.39123.39223.3922
3.3912Излучаемая длина волны, мкм5.43.39120.631.15Мощность излучения, не менее, мВт1.09.0Вариант
1Вариант
2Вариант
1Вариант
2   10.015.05.010.0Габаритные размеры лазера, мм⊘56х685⊘56х1300Вариант 1 ⊘56х685
Вариант 2 ⊘56х920Наполнение ячейкиметанметанметан

Предлагаемые лазеры используются в качестве источников монохроматического излучения в различных областях науки и техники (в инфракрасной волоконной оптике, в устройствах для юстировки сложных инфракрасных оптических систем, в газоанализаторах и др.).

Приведенные примеры показывают, что заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применяемость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания надежного и компактного He-Ne лазера, для применения в качестве источников монохроматического излучения в инфракрасной волоконной оптике, устройствах юстировки сложных инфракрасных оптических систем, в газоанализаторах. He-Ne лазер содержит разрядную трубку, зеркала. Один конец разрядной трубки закрыт оптическим окном и расположен в ячейке с газовым наполнением, закрепленной на разрядной трубке. Окно закреплено на оптическом узле. Узел соединен с разрядной трубкой через втулку. Ячейка с газовым наполнением выполнена в виде стакана. Стакан имеет горлышко и дно. Диаметр горлышка стакана больше диаметра дна стакана. Вторая втулка герметично закреплена в центральном отверстии дна стакана. На другом конце разрядной трубки закреплена третья металлическая втулка, к которой присоединено глухое зеркало. Технический результат - создание надежного, компактного He-Ne лазера с заданным спектром излучения и высоким уровнем выходной мощности на выбранной длине волны излучения. 1 н.п. ф-лы, 2ил., 1 табл.

He-Ne лазер, содержащий разрядную трубку, один конец которой закрыт оптическим окном, установленным под углом Брюстера, и расположен в ячейке с газовым наполнением, герметично закрепленной на разрядной трубке, и зеркала, отличающийся тем, что окно закреплено на оптическом узле, соединенном с одним концом разрядной трубки через первую металлическую с пластично-деформируемым участком втулку, ячейка с газовым наполнением выполнена в виде стакана, имеющего горлышко и дно, причем диаметр горлышка стакана больше диаметра дна стакана, и герметично закрепленной в центральном отверстии дна стакана второй металлической с пластично деформируемым участком втулки, в которой установлено выходное зеркало, а на другом конце разрядной трубки закреплена третья металлическая втулка с пластично-деформируемым участком, к которой присоединено глухое зеркало.